专利名称：一种颗粒介质等效力学参数测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种力学参数测量系统，特别是针对不同颗粒大�。煌壤蟮目帕＝橹实牧ρР问胁饬康南低�。
背景技术：
颗粒介质(或称为散体)广泛存在于生产生活中，在设计颗粒介质容器时，需要了解颗粒介质的力学特性。例如在设计谷仓时，需要将谷物等效为一种连续的力学介质进行计算分析来评价其对谷仓壁的压力。而利用实验测量散体介质的等效力学参数是解决上述问题的关键步骤。测量颗粒介质的等效力学参数的方法有多种，主要有动态测量和静态测量两种方式。动态测量主要是通过测量颗粒介质的动态响应来反推材料参数。例如声波测量方法通过测量声波在样品中的波速来推算样品的力学参数，具体的做法为将颗粒介质(样品)放置于聚乙烯圆筒中，圆筒的两端有两个中空的活塞，两个活塞的端部分别安装压电材料做成的发射器和接收器，发射器发出声波，通过活塞中的气体传至样品中。声波通过样品后， 引发另一侧的活塞发生移动，再由PZT转换成电信号接收，计算出波速后以反解出样品的弹性常数。由于波速测量中需要波长远大于样品的颗粒尺寸，因而此实验测量需要容器尺寸很大才能满足一定测量精度，使得这种方法的实施存在一定的局限性。静态测量是通过向样品缓慢施加测试载荷，同时直接测量样品的应力和变形，通过材料力学理论求解样品的材料参数。土力学中常用的三轴试验仪即是按此种原理设计的仪器，但由于其只能监测样品一个方向的应力和变形，所以只能给出弹性模量和泊松比之间的关系，而不能单独测量出样品的弹性模量和泊松比。如果想分别测量出弹性模量和泊松比，必须能够测量到被测物两个方向上的信息。图1显示了一种静态测量方法的测量装置(申请号为No. P-340014的波兰专利申请)，包括两个半圆筒壁104对接构成的容器侧壁，在所述容器侧壁和底板105构成的容器中盛放被测颗粒介质；盖板102盖压在被测颗粒介质上，测试载荷通过压头施加在盖板102 上，进而施加在被测颗粒介质上，压头上设置测试载荷传感器101。一个半圆筒壁104固定在基座上，另一个半圆筒壁104活动设置，在两个半圆筒壁104对接处设置水平载荷传感器 103。在测量时向盖板102施加测试载荷，同时测量盖板102的位移，以及水平载荷传感器 103获取的横向力，然后计算出被测颗粒介质的弹性模量和泊松比。图1所示测量装置存在下列问题半圆筒壁104准确对接需要具有较高的精度才能实现，因此，容器侧壁104的结构比较复杂，加工难度大；另外，当加载力较大时，由于传感器刚度有限筒壁不可避免的发生较大位移，若要避免该位移的发生，则需要设计伺服装置将筒壁推回原位，这样必然使装置更加复杂，成本大大提高；最后，当需要进行缩比实验时，由于容器的容积不可变，需要加工多个不同容积的测量装置，实验成本进一步提高
发明内容
为了解决现有颗粒介质等效力学参数测量装置存在的结构复杂和实验成本高的问题，本发明提供了一种颗粒介质等效力学参数测量系统，其结构简单，容积可调，可满足缩比实验要求。本发明的技术方案如下一种颗粒介质等效力学参数测量系统，包括容纳颗粒介质的刚性开口容器，所述刚性开口容器的容腔的形状为长方体；在所述容腔的侧壁上设置有压力传感器和位移传感器；在所述容腔内活动设置有颗粒介质压力传递部件，所述颗粒介质压力传递部件的一侧与所述压力传感器和所述位移传感器触压，所述颗粒介质压力传递部件的另一侧的所述容腔容纳所述颗粒介质；还包括容积调节板，所述容积调节板调整容纳所述颗粒介质的空间的容积。优选的，所述容积调节板为矩形板。优选的，所述调节板的数量至少为4。优选的，所述压力传感器的数量为4，所述位移传感器的数量为1。优选的，所述位移传感器和所述压力传感器设置在同一所述容器的侧壁上，所述位移传感器的轴线与所述容腔的侧壁的中心相交，所述4个压力传感器的连线在所述容腔的侧壁上形成矩形，所述容腔的侧壁的中心与所述压力传感器形成的矩形的中心重合。优选的，所述颗粒介质压力传递部件为矩形的压力传递板。优选的，所述压力传递板与所述容腔的底板接触的边缘上设置有滚轮或滚珠。优选的，所述压力传递板的边缘与所述容腔的侧壁之间为间隙配合。优选的，在所述刚性开口容器的开口处设置有盖压所述颗粒介质的加载盖板。优选的，所述颗粒介质等效力学参数测量系统还包括计算机，所述压力传感器和所述位移传感器均与所述计算机电连接。本发明的技术效果本发明采用了刚性开口容器盛放被测颗粒介质，刚性开口容器的容腔的形状为长方体，在所述容腔的侧壁上设置压力传感器，颗粒介质压力传递部件将刚性开口容器的容腔分割成两个空间，一个空间盛放被测颗粒介质，另一个空间为压力传感器及位移传感器所在的空间。颗粒介质压力传递部件将被测颗粒介质形变产生的压力传递给压力传感器， 由于传感器刚度有限，所述压力传递部件会朝压力传感器方向发生移动。所述位移传感器可记录下该移动的位移量，测量结果会用于计算最终的被测颗粒介质等效力学参数。此种设计免去了原本需要安装伺服装置的必要，并且本发明采用的刚性开口容器的容腔的侧壁和底板均为平板，因此结构简单，在制造该容器过程中也就无需考虑对接时的精度，这些都大大降低了设计和制造成本。另外，图1所示的现有装置容纳颗粒介质的容积仅能在一个比较小的范围内变动。对于同一尺寸的颗粒介质，需要进行颗粒介质力学性质的缩比实验(颗粒介质力学性质的尺寸效应非常明显，试件尺寸与颗粒本身尺寸之比值不同时，介质的力学性质发生明显改变)，缩比实验需要使用容积差异较大的容器，这需要容积不同的多个现有测量装置才能实现。而本发明的测量装置通过设置容积调节板调节容纳颗粒介质的空间，从而使得一个测量装置可以进行颗粒介质的力学性质缩比实验，节约测量成本。
图1为现有颗粒介质的等效力学参数测量装置结构原理图。图2为本发明颗粒介质等效力学参数测量系统的一个实施例。图3为图2中刚性开口容器的俯视图。图4为本发明颗粒介质等效力学参数测量系统的另一个实施例。图5为压力传递板的局部剖视图。图6为图2和图4所示实施例中刚性开口容器侧壁上压力传感器和位移传感器的布置图。上述图中附图标记说明如下101、测试载荷传感器；102、盖板；103、水平载荷传感器；104、半圆筒壁；105、底板；1、刚性开口容器；2、加载盖板；3、加载压头；4、试验机传感器；5、压力传递板；6、 侧壁；7、数据采集卡；8、计算机；9、被测颗粒介质；10、底板；11、压力传感器；12、信号处理器；13、调节板；14、滚珠；15、滚珠安装板；16、螺钉；17、位移传感器。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。图2显示了本发明的颗粒介质等效力学参数测量系统的一个实例，其中的刚性开口容器1以剖视图的方式展示。刚性开口容器1的容腔由侧壁6和底板10构成。侧壁6 为四个矩形板围合的闭合结构(结合图3)。一个所述矩形板与其他所述矩形板中的两个垂直，或者说所述矩形板两两平行，平行的两个所述矩形板与另两个平行的所述矩形板垂直， 使得所述容腔的形状为长方体。图2所示实施例中刚性开口容器1的具体几何尺寸为刚性侧壁6厚度为10mm，外部轮廓尺寸254mmX 200mmX 200mm。在侧壁6上设置有压力传感器11和位移传感器17，压力传感器11的承压部分和位移传感器17的感应触头设置在所述容腔内。在所述容腔内还设置有作为颗粒介质压力传递部件的压力传递板5，压力传递板5为矩形板，可活动。在工作过程中，压力传递板5竖立在所述容腔内，将所述容腔内分割成两部分，同时借助颗粒介质的初始应力，压力传递板5与压力传感器11及位移传感器 17紧密相连。结合图2和图3可见，压力传递板5左侧的部分为容纳被测颗粒介质9的空间，右侧的部分为设置压力传感器11和位移传感器17的空间。图2所示实施例中所述容纳被测颗粒介质9的空间的尺寸数据为180mmX 180mmX 180mm ；压力传递板5的尺寸为 180mmX 180mm X 10mm。在所述颗粒介质空间的上方，刚性开口容器1的开口处设置有加载盖板2。加载盖板2的尺寸略小于所述容纳颗粒介质9的空间的开口尺寸。实验过程中，由静态试验机对加载盖板施加测试载荷，加载盖板可以在竖直方向(图2中的垂直方向)运动，受到测试载荷力后将测试载荷传递给被测颗粒介质9。当然依据本领域的技术常识，静态试验机本身必须能够记录所施加的力和位移等测试数据。另外，加载盖板2安装有一拉手，方便从刚性开口容器1中取出加载盖板2。图2所示实施例中加载盖板2的尺寸为180mmX 180mmX 10mm。本发明的刚性开口容器1的结构由板材构成，易于加工，制造成本低。图2所示的颗粒介质等效力学参数测量系统中的压力传感器11顺序连接了信号处理器12和数据采集卡7，再与计算机8实现电连接。位移传感器17顺序连接了信号处理器12和数据采集卡7，与计算机8实现电连接。试验机传感器4 (包括力传感器和位移传感器两部分)实际属于配合使用的加载试验机的一部分，加载试验机记录试验机传感器4的位移和载荷数据。加载试验机采集到的位移和载荷数据也会传输给计算机8。计算机8对压力传感器11、位移传感器17和试验机传感器4采集到的数据进行处理，得到被测颗粒介质9的等效力学参数。为了附图清晰，在图2和图4中没有显示试验机传感器4与配合使用的试验机的连接线路，本领域技术人员根据现有技术能够了解具体的连接方式，在此不再赘述。以下对图2和图3所示颗粒介质等效力学参数测量系统的工作过程进行简要描述，以进一步说明本发明的技术方案。将压力传递板5竖立在所述容腔内，然后将被测颗粒介质9放置在所述容纳颗粒介质9的空间，被测颗粒介质9自然与压力传递板5左侧的板面接触，由于压力传递板5是活动的，因此，压力传递板5右侧的板面与压力传感器11和位移传感器17触压。使用静态试验机向加载盖板2施加测试载荷，在测试载荷的作用下，被测颗粒介质9形变产生压力， 这一形变压力被压力传递板5传递给压力传感器11。压力传递板5实质上是压力传递部件，将被测颗粒介质9的形变压力传递给压力传感器11，使得压力传感器11可以测得这一压力的大小。同时压力传递板5在受到被测颗粒介质9的变形压力的同时，会向压力传感器11方向发生一定位移，这一位移通过位移传感器17进行测量。图2和图3所示实施例中设置4个压力传感器11，压力传感器11通过贯穿刚性侧壁6的安装孔安置在刚性侧壁6 上，4个所述安装孔的中心的连线可组成正方形。4个压力传感器11的这种分布方式保证了压力传递板5在压力传感器11这一侧受到的支撑是均衡的，不会发生翻转或偏倒。4个压力传感器11获得的信号之和为压力传递板5传递的压力，也就是被测颗粒介质9的形变压力。图2、图3中所示的位移传感器17安装在容器的刚性侧壁6的中心处，感应前端深入到容器容腔内，对压力传递板5的位移进行监测。将静态试验机记录的加载载荷和位移数据传输至计算机8，压力传感器11获得的压力数据和位移传感器17获得的位移数据也被传输给计算机8，计算机8统一进行数据处理，根据测试载荷、加载盖板2的位移、位移传感器17获取的位移和压力传感器11测得的载荷值计算出被测颗粒介质9的弹性模量和泊松比。信号处理器12将压力传感器11的信号整合，数据采集卡7将信号处理器12传来的模拟信号转换成数字信号后传递给计算机 8。在工作过程中，压力传递板5竖立在刚性开口容器1内，压力传递板5的垂直于底板10的两个边缘与侧壁6之间为间隙配合，压力传递板5底部的与底板10接触的边缘上设置有滚轮或滚珠14，使得压力传递板5在左右方向(图1和图4中的左右方向)上移动时，与刚性底板10之间为滚动摩擦。滚动摩擦产生的摩擦力要小于滑动摩擦产生的摩擦力。本发明的颗粒介质等效力学参数测量系统需要借助压力传递板5将被测颗粒介质的形变压力传递到压力传感器11处，而压力传递板5与刚性开口容器1之间的摩擦力会使传递的压力失真，为此，需要尽可能减少压力传递板5与刚性开口容器1之间的摩擦力，确保测量的准确度。在采用设置滚珠14的方案的同时可以在压力传递板5与侧壁6和底板10之间涂抹润滑油脂，以进一步降低摩擦力。
图5显示了压力传递板5与底板10接触的边缘的结构。压力传递板5的这个边缘上预先开出凹口，该凹口可以容纳滚珠14的部分体积，再将滚珠安装板15通过螺钉16 扣接在压力传递板5的这个边缘上。滚珠安装板15上相应于滚珠14位置处设置有与滚珠 14尺寸相应的孔，至此，将滚珠14安装在压力传递板5的这个边缘上，并保持滚动的功能。图4显示了本发明的另一个实施例，与图2和图3所示实施例相比，不同之处在于设置了调节板13;加载盖板2的尺寸有所不同。调节板13为一组矩形板。调节板13 的作用在于调整容纳被测颗粒介质9空间的容积。由于需要对被测颗粒介质9进行不同压缩比的测试，因此需要被测颗粒介质9的体积有所不同，刚性开口容器1内放置的调节板 13占据了所述颗粒介质空间的有效空间，通过设置不同数量和大小调节板13即可有效调整容纳被测颗粒介质9的空间体积。由于在刚性开口容器1内放置了调节板13，会使刚性开口容器1的开口处尺寸发生变化，相应的加载盖板2的尺寸应当进行调整。给出调节板 13 的尺寸的实例120mmX 120mm X 35mm, 120mm X 190mm X 60mm, 180mm X 190mm X 30mm, 180mm X 190mm X30m。若干调节板13可以组合使用。加载盖板2的尺寸120mmX 120mm X 10mm。通过单独或组合使用上述调节板13，可以使刚性开口容器1中的所述颗粒介质空间具有3375cm3、1728cm3, IOOOcm3和512cm34种规格的容积。上述多种尺寸规格的调节板13 可以组合使用，以达成不同容积的所述颗粒介质空间。优选使用至少4块调节板13，4块调节板13分别紧贴3个侧壁6和底板10设置，这样形成的容纳被测颗粒介质9的空间与压力传递板5接触面位于压力传递板5的中心部位，当压力传递板5受压从而挤压压力传感器11时不至于发生偏转，影响测量准确度。图6显示了侧壁6上压力传感器11和位移传感器17的位置。压力传感器11和位移传感器17设置在同一侧壁6上，位移传感器17的轴线与侧壁6的中心(即矩形的侧壁6的中心)相交，4个压力传感器11的中心的连线在侧壁6上形成矩形，这个矩形的中心与侧壁6的所述中心重合。这种布置方式，使得压力传递板5在与压力传感器11和位移传感器17接触后受到的支撑是均衡的，不会发生翻转或偏倒。为了在图6中更清晰地表现上述描述，也示出了上述矩形和侧壁6的对角线这些辅助线，当然，为了区别于实体线条，辅助线采用虚线表示。值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。
权利要求
1.一种颗粒介质等效力学参数测量系统，包括容纳颗粒介质的刚性开口容器，其特征在于所述刚性开口容器的容腔的形状为长方体；在所述容腔的侧壁上设置有压力传感器和位移传感器；在所述容腔内活动设置有颗粒介质压力传递部件，所述颗粒介质压力传递部件的一侧与所述压力传感器和所述位移传感器触压，所述颗粒介质压力传递部件的另一侧的所述容腔的空间容纳所述颗粒介质；还包括容积调节板，所述容积调节板调整容纳所述颗粒介质的空间的容积。
2.根据权利要求1所述颗粒介质等效力学参数测量系统，其特征在于所述容积调节板为矩形板。
3.根据权利要求2所述颗粒介质等效力学参数测量系统，其特征在于所述调节板的数量至少为4。
4.根据权利要求3所述颗粒介质等效力学参数测量系统，其特征在于所述压力传感器的数量为4，所述位移传感器的数量为1。
5.根据权利要求4所述颗粒介质等效力学参数测量系统，其特征在于所述位移传感器和所述压力传感器设置在同一所述容器的侧壁上，所述位移传感器的轴线与所述容腔的侧壁的中心相交，所述4个压力传感器的连线在所述容腔的侧壁上形成矩形，所述容腔的侧壁的中心与所述压力传感器形成的矩形的中心重合。
6.根据权利要求5所述颗粒介质等效力学参数测量系统，其特征在于所述颗粒介质压力传递部件为矩形的压力传递板。
7.根据权利要求6所述颗粒介质等效力学参数测量系统，其特征在于所述压力传递板与所述容腔的底板接触的边缘上设置有滚轮或滚珠。
8.根据权利要求7所述颗粒介质等效力学参数测量系统，其特征在于所述压力传递板的边缘与所述容腔的侧壁之间为间隙配合。
9.根据权利要求8所述颗粒介质等效力学参数测量系统，其特征在于在所述刚性开口容器的开口处设置有盖压所述颗粒介质的加载盖板。
10.根据权利要求9所述颗粒介质等效力学参数测量系统，其特征在于还包括计算机，所述压力传感器和所述位移传感器均与所述计算机电连接。
全文摘要
本发明提供了一种颗粒介质等效力学参数测量系统，包括容纳颗粒介质的刚性开口容器，所述刚性开口容器的容腔的形状为长方体；在所述容腔的侧壁上设置有压力传感器和位移传感器；在所述容腔内活动设置有颗粒介质压力传递部件，所述颗粒介质压力传递部件的一侧与所述压力传感器和所述位移传感器触压，所述颗粒介质压力传递部件的另一侧的所述容腔容纳所述颗粒介质；还包括容积调节板，所述容积调节板调整容纳所述颗粒介质的空间的容积。本发明的测量系统结构简单，成本低，可广泛应用于对颗粒介质等效力学参数的测量。
文档编号G01N15/00GK102359927SQ20111031898
公开日2012年2月22日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者刘程林, 孙立斌, 王洪涛, 苏煜, 蔡小兵, 马少鹏, 马沁巍 申请人:北京理工大学
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